Vorarbeit: Die MEMIN Pilotstudie
Um die Durchführbarkeit des MEMIN Programms zu testen, führten das Ernst Mach Institut Freiburg und das MENIN Team zwei Experimente mit der neuartigen zweistufigen Leichtgaskanone durch (Thoma et al. 2006; Kenkmann et al. 2006, 2007a, b; Schäfer et al. 2006; Wünnemann et al. 2006). Der Beschleuniger besteht aus einem 22 m langen Treibrohr mit einem Durchmesser von 150 mm, kombiniert mit einem 12 m langen Lauf mit einem Durchmesser von 50 mm. Die Projektile, 1-cm-Durchmesser CrMo- Stahl Kugeln (4,1 g), verkapselt in einem zylindrischen Sabot, wurden gegen ein vertikal positioniertes und in einen Stahlrahmen eingehülltes Sandsteinziel geschossen. Außerdem wurden Auswurfmaterialfänger, bestehend aus Faserplatten, in entsprechender Position montiert. Die Impaktgeschwindigkeit des Projektils wurde durch eine Laserschranke bestimmt und beläuft sich auf 5300 m s-1 für beide Experimente. Der Impaktprozess wurde durch Schattenbilder mittels einer Hochgeschwindigkeitskamera dokumentiert. Bei dem Target handelte es sich um einen 1 x 1 x 0,5 m Block des sogenannten Seeberger Sandsteins, mit genau bestimmten petrographischen, geochemischen und Festigkeitseigenschaften. Das Gestein hat eine Porosität von 12-18 Vol.%. Ein Experiment wurde unter trockenen (Exp. 2808), das andere unter nassen Targetbedingungen (Exp. 2809) durchgeführt.
Für die quantitative Bestimmung der Kraterform und des Kratervolumens wurden Gipsabdrücke der Kraterhohlform angefertigt, die als Basis für eine digitale Erfassung in 3D dienten (Abb. 1). Der transiente Krater und das Kratervolumen wurden von digitalen Modellen abgeleitet. Nicht intrusive, geoelektrische Messwerte wurden an den intakten Targetblöcken durchgeführt. Anschließend wurden Profilschnitte durch das Kraterzentrum angefertigt, um Frakturen am Kraterboden zu kartieren (Abb. 1). Bohrlochprofile (15 mm Ø, 120 mm Länge) wurden in den Block gebohrt, um Proben aus unterschiedlichen Abständen zur Krateroberfläche zu bekommen. Die Auswurffragmente des Kraters wurden vom Boden und von den Faserplatten, die in 50 cm Abstand parallel zur Sandsteinblockoberfläche montiert waren, gesammelt.
Die resultierenden Krater hatten einen Durchmesser von 24,3 cm (trocken) und 28,7 cm (nasses Experiment), Tiefen von 5,6 cm und 4,5 cm und ein Volumen von 715 cm³ und 1099 cm³. Die Winkel des Auswurfkegels betrugen 69,8° und 58° nach 1.2 Millisekunden (Abb. 1). Der transiente Kraterdurchmesser wurde auf 8,2 cm (trocken) und 11,3 cm (nass) ermittelt. Im trockenen Experiment wurden 2,84 g des stark deformierten Projektils vorgefunden. Weitere Reste des Projektils, die ein Aufschmelzen und Durchmischen von Projektil und Zielobjekt zeigten, wurden auf dem Kraterboden entdeckt (Abb.2). Numerische Modellierung des Experiments lieferte eine gute Übereinstimmung mit den experimentell ermittelten Kratern und zeigte Höchstdrücke von mehr als 60 GPa an. Ein wesentliches Resultat des MEMIN Programms ist, dass die Geometrie und die Größe der Krater, sowie die Dynamik des Auswurfmaterials offensichtlich deutlich beeinflusst werden durch fluide Kraterbildungsprozesse – die Kraterbildungseffizienz ist anscheinend höher in nassem Sandstein.
Mikrostrukturelle Analysen der ausgeworfenen Sandsteinfragmente sowie Proben unterhalb des Kraterbodens aus unterschiedlichen Abständen zum Kraterzentrum offenbarten drei Typen von Deformation in beiden Experimenten: (i) nahezu undeformierter Sandstein mit intakter Porosität und keiner erkennbaren Schockdeformation (ii) lokale Spröddeformation und Kompaktion in ansonsten schwach bis undeformiertem Sandstein mit intakter Porosität, und (iii) starke und durchgehende intergranulare Rissbildung, die zu einer ausgedehnten Porenraumverkleinerung und Stoßwellenmetamorphose führte. Typ (iii) tritt am häufigsten im Auswurfmaterial auf.
Die MEMIN Pilotstudie hat gezeigt, dass die Ausdehnung des Bereichs vom Targets, das vom Impakt betroffen ist, ein ausreichend großes Volumen für geophysikalische Untersuchungsmethoden hat. Nachdem nun die Realisierbarkeit des geplanten Projekts gewährleistet wurde, sind wir überzeugt, dass mit der Verwendung der neuen Beschleunigungsanlage am EMI und dem Einsatz von fortgeschrittenen Messtechnologien neue Maßstäbe in der experimentellen Impaktforschung gesetzt werden können.